2.3 Фізико-хімічні процеси, що протікають у ванні печі

Хром із залізом володіє взаємною розчинністю в твердому і рідкому стані. З вуглецем утворює міцні карбіди:

Cr₂₃O₆ Cr₇O₃ Cr₃C₂

Вміст вуглецю, %................................5,7 9,01 13,34

Температура плавлення, К…….…1823 2053 2163

В системі Cr – Fe – C існують наступні карбіди: (Cr,Fe)₇С₃ і (Fe,Cr)₃С. вуглецевий ферохром в основному містить (Cr,Fe)₇С₃.

З кремнієм хром утворює ряд силіцидів:

Cr₃Si Cr₅Si CrSi CrSi₂

Вміст кремнію, %..........................15,25 24,45 35,05 51,29

Температура плавлення, К……1983 - 1818 1823

Силіциди хрому міцніші його карбідів. Тому у сплавах залізо – хром – кремній при підвищенні вмісту кремнію знижується вміст вуглецю.

З киснем хром утворює три оксиди: CrO, Cr₂O₃, CrO₃.

Найбільш міцний оксид Cr₂O₃, у вигляді якого хром і знаходиться в рудах і шлаках. В кислих шлаках зустрічається CrO. У високо вапнякових шлаках при окислювальних процесах частково утворюється CrO₃.

Із сіркою хром утворює сульфіди CrS і Cr₂S₃. З фосфором – фосфіди: CrP і Cr₂P₃; останній при температурі 440С переходить в CrP.

З азотом хром утворює нітриди CrN і Cr₂N. З підвищенням температури термодинамічна міцність нітридів зменшується.

Плавка вуглецевого ферохрому складається з наступних процесів:

• видалення летючих та вологи з шихти і підігрів шихти за рахунок тепла гарячих газів, які виходять з печі і догорають на колошнику;

• відновлення заліза та хрому з одночасним утворенням карбідів хрому та заліза;

• плавлення відновлених елементів з утворенням рідкого ферохрому;

• утворення і плавлення шлаку;

• відновлення кремнію та хрому зі шлаку.

Дослідження ванни печі, зупиненої без проплавлення шихти показало: від поверхні колошника до глибини 300мм в печі відбувається сушка і потім прокалювання шихтових матеріалів; на глибині 300-400мм з’являються корольки застиглого металу і скловидна плівка на шматках руди кварциту; на глибині 400-900мм шихта спікається, збільшується кількість голок металу, з’являється шлак і потім вся маса переходить в розплав, який складається з шлаку, капель металу і включень руди; на глибині 900-1300мм пористий затверділий розплав переходить в щільний.

Нижче приведені реакції відновлення оксидів хрому вуглецем:

Cr₂O₃ + 13/3 С = 2/3 Cr₂O₃ + 3 СО

2/3 Cr₂O₃ + 18/7 С = 4/21 Cr₇O₃ + 2 СО

Cr₂O₃ + 81/23 С = 2/23 Cr₂₃O₆

2/3 Cr₂O₃ +2 С = 4/3 Cr + 2 CO

3(FeO·Cr₂O₃) + 3 C = Fe + Fe + 3Cr₂O₃ + 3 CO

MgO·Cr₂O₃ + 3 C = 2 Cr + MgO + 3 CO

Найбільш висока температура початку відновлення хрому складає 1546 С.

Відновлення оксиду хрому до карбіду відбувається при більш низькій температурі, ніж до чистого хрому. Тому, відновлюючи хромову руду коксиком завжди отримують високо вуглецевий ферохром. Взаємодія FeO·Cr₂O₃ в потоку оксиду вуглецю призводить до утворення заліза, а потім вже відновлюється Cr₂O₃. Далі обидва елеинти переходять в цементит Fe₃C та карбід (Cr, Fe)7C3.

При наявності у атмосфері печі оксиду вуглецю та в шихті твердого вуглецю основним відновником є твердий вуглець. Відновлення хрому з руди починається при температурі 1100-1500 С, продовжується з підвищенням швидкості в більш гарячих зонах печі і закінчується в горні, де хром відновлюється з оксиду хрому шлаку.

Вибіркове відновлення заліза та хрому характерно для усіх типів руд. Це призводить до утворення проміжної тугоплавкої та в'язкої зони напіввідновленої руди, що гальмує процес подальшого відновлення заліза і хрому з руди. Наявність кремнезему робить флюсуючий вплив на тугоплавку частину руди та знижує температуру плавлення та в’язкість шлаку.

В процесі плавки вуглецевого ферохрому сплав вуглецем повністю не насичується, тому, щоб не було взаємодії металевого розплаву з вуглецем футерівки ванни печі. Футерівка виконується з магнезитової цегли замість звичайних блоків.

Оксид хрому відноситься до атмосферних оксидів, як наслідок, не утворює міцних з'єднань ні в основних ні в кислих шлаках.

Відновлення заліза із закису протікає одночасно з відновленням оксиду хрому. Відновлення закису заліза полегшує процес плавки, так як залізо знижує температуру плавлення сплаву. Відновлення заліза протікає повніше, ніж відновлення хрому. Це підтверджується тим, що в кінцевих шлаках відношення Cr₂O₃/FeO вище, ніж у руді.

Фосфор. В вуглецевому ферохромі допускається 0,04% фосфору. Відновлювальна атмосфера печі і склад шлаку обумовлюють перехід фосфору з шихти в сплав. Для отримання ферохрому з нижчим вмістом фосфору необхідно застосовувати більш цисті руду та коксик.

Сірка. Вноситься головним чином коксиком. Основна частина сірки переходить в сплав, частина її вилітає. В вуглецевому ферохромі вміст сірки не повинен перевищувати 0,04%, тому в коксиці повинно бути не більше 0,5% S. Для зниження вмісту сірки необхідно підвищити вміст вуглецю в сплаві, зменшити кількість багатого шлаку в шихті.